Chapter 10 Instruction Sets: Characteristics and Functions คุณลักษณะและหน้าที่ของชุดคำสั่ง

1. คุณลักษณะของคำสั่งภาษาเครื่องคุณลักษณะของคำสั่งภาษาเครื่อง • ชนิดของตัวถูกดำเนินการ • ตัวอย่าง ชนิดของข้อมูลในเครื่อง Pentium และ PowerPC • ชนิดการทำงานในเครื่อง Pentium และ PowerPC • ภาษาแอสแซมบลี Chapter 10 Instruction Sets: Characteristics and Functions คุณลักษณะและหน้าที่ของชุดคำสั่ง

2. What is an instruction set? • The complete collection of instructions that are understood by a CPU • Machine Code • Binary • Usually represented by assembly codes สรุป การทำงานของ CPU ถูกกำหนดโดยคำสั่งที่กำลังทำการประมวลผลอยู่ในขณะนั้น ซึ่งเรียกว่า คำสั่งเครื่อง คำสั่งเครื่องเมื่อนำมารวมเข้าไว้ด้วยกัน หรือเมื่ออ้างกลุ่มคำสั่งสำหรับคอมพิวเตอร์ เรียกว่า “ชุดคำสั่ง”

3. Elements of an Instruction(องค์ประกอบของชุดคำสั่ง) • Operation code (Op code) • บอกให้ทราบถึงงานที่ทำ เช่นการบวก หรืองาน I/O • Source Operand reference • แหล่งอ้างอิงแหล่งที่มาข้อมูล การทำงานอาจจะมีการอ้างอิงถึงตัวถูกดำเนินการ หรือที่บอกแหล่งที่เก็บข้อมูลที่ต้องนำมาใช้ในการกระทำนั้น • Result Operand reference • การอ้างอิงแหล่งที่เก็บข้อมูลเมื่อมีการดำเนินการ พูดง่ายๆ คือที่เก็บผลลัพธ์ของการทำงาน • Next Instruction Reference • การอ้างอิงคำสั่งถัดไป เป็นการบอกให้ CPU ทราบตำแหน่งถัดไปที่จะทำงาน

4. Where have all the Operands gone?(ตัวถูกดำเนินการที่ใช้บอกตำแหน่งการอ้างอิงแหล่งที่มาหรือที่เก็บข้อมูล อาจจอยู่ในรูปแบบนี้ • Main memory (or virtual memory or cache) หน่วยความจำหลักหรือหน่วยความจำเสมือน • CPU register ตำแหน่งของการอ้างอิงหรือที่เก็บข้อมูลคือ Register ที่อยู่ภายในตัว CPU เอง เช่น Ld a,01h • I/O deviceตำแหน่งของอุปกรณ์ที่ใช้เก็บข้อมูล หรือแสดงผลลัพธ์ของข้อมูล

5. Instruction Cycle State Diagram

6. Instruction Representation • In machine code each instruction has a unique bit pattern(ใน Computer แต่ละชุดคำสั่งจะเรียงกันในรูปแบบของ Bit Binary) • For human consumption (well, programmers anyway) a symbolic representation is used (การที่จะอธิบายรายละเอียดโดยเลขฐาน2 นั้น เป็นเรื่องยากดังนั้นจึงได้เลือกภาษาสัญลักษณ์ที่ง่ายต่อการเข้าใจ เช่น • e.g. ADD, SUB, LOAD • Operands can also be represented in this way (ตัวถูกดำเนินการก็ใช้คำย่อเหมือนกัน) • ADD A,B

7. Simple Instruction Format(รูปแบบคำสั่งแบบง่าย)

8. Instruction Types • Data processing คำสั่งในการประมวลผลข้อมูลทางคณิตศาสตร์ • Data storage (main memory) คำสั่งเกี่ยวกับหน่วยความจำ • Data movement (I/O) คำสั่งเกี่ยวกับการ I/O • Program flow control คำสั่งควบคุมลำดับการประมวลผล คอมพิวเตอร์ควรมีชุดคำสั่งที่ช่วยให้ผู้ใช้สามารถประมวลผลงานที่ต้องการได้ ดังนั้นชุดคำสั่งจะต้องมีมากพอ ที่จะใช้แปลความหมายภาษาระดับสูงโดยมากภาษาเครื่องจึงถูกแบ่งเป็นประเภทต่างๆ ดังนี้)

9. เปรียบเทียบคำสั่งที่ใช้ที่อยู่อ้างอิง Y=(A-B)/(C+D*E)

10. Number of Addresses (a) จำนวนของที่อยู่อ้างอิงในคำสั่งเครื่อง • 3 addresses • Operand 1, Operand 2, Result • a = b + c; • May be a forth - next instruction (usually implicit) • Not common • Needs very long words to hold everything

11. Number of Addresses (b) • 2 addresses • One address doubles as operand and result • a = a + b • Reduces length of instruction • Requires some extra work • Temporary storage to hold some results

12. Number of Addresses (c) • 1 address • Implicit second address • Usually a register (accumulator) • Common on early machines

13. Number of Addresses (d) • 0 (zero) addresses • All addresses implicit • Uses a stack • e.g. push a • push b • add • pop c • c = a + b

14. How Many Addresses • More addresses ถ้าใช้ Address มาก • More complex (powerful?) instructions (ซับซ้อน) • More registers (ใช้ Register มากกว่า) • Inter-register operations are quicker • Fewer instructions per program (ใช้ชุดคำสั่งน้อยต่อโปรแกรม) • Fewer addresses ถ้าใช้ Address น้อย • Less complex (powerful?) instructions (ซับซ้อนน้อยกว่า) • More instructions per program(ใช้ชุดคำสั่งมากกว่าต่อโปรแกรม) • Faster fetch/execution of instructions (ประมวลผลเร็วกว่า)

15. Design Decisions (1) (การออกแบบชุดคำสั่งมีปัจจัยไรบ้าง) • ชุดคำสั่งจะเป็นตัวกำหนดหน้าที่การทำงานของ CPU จึงมีผลโดยตรงต่อการออกแบบและสร้าง CPU ขึ้นมาใช้งานและเป็นเสมือนเครื่องมือของ Programmer ที่ใช้ควบคุมการทำงานของ CPU ดังนั้นความต้องการของ Programmer จะต้องถูกนำมาใช้ร่วมพิจารณาในระหว่างออกแบบชุดคำสั่ง • Operation repertoire • How many ops? CPU ควรจะมีฟังก์ชั่นการทำงานเป็นเท่าใด • What can they do? การทำงานแต่ละอย่างควรทำอะไร • How complex are they? การทำงานมีความซับซ้อนมากเพียงใด • Data types ชนิดของข้อมูลที่นำมาใช้ • Instruction formats ความยาวของคำสั่ง • Length of op code field ความยาวของคำสั่ง • Number of addresses จำนวนของแอดเดรส

16. Design Decisions (2) • Registers • Number of CPU registers available จำนวน Register • Which operations can be performed on which registers? • Addressing modes (later…) รูปแบบการทำงานที่ใช้กำหนดชนิดของที่อยู่ของตัวถูกดำเนินการ • RISC v CISC

17. Types of Operand ชนิดของตัวถูกดำเนินการ • Addresses ตำแหน่งที่อยู่ • Numbers ตัวเลข • Integer/floating point • Characters ตัวอักษร • ASCII etc. • Logical Data ข้อมูลตรรกะ • Bits or flags • (Aside: Is there any difference between numbers and characters? Ask a C programmer!)

18. Pentium Data Types • 8 bit Byte • 16 bit word • 32 bit double word • 64 bit quad word • Addressing is by 8 bit unit • A 32 bit double word is read at addresses divisible by 4

19. Specific Data Types(ชนิดข้อมูลของ Pentium) • General - arbitrary binary contents • Integer - single binary value • Ordinal - unsigned integer • Unpacked BCD - One digit per byte • Packed BCD - 2 BCD digits per byte • Near Pointer - 32 bit offset within segment • Bit field • Byte String • Floating Point

20. Pentium Floating Point Data Types

21. PowerPC Data Types (ชนิดข้อมูลใน cpu Power PC) • 8 (byte), 16 (halfword), 32 (word) and 64 (doubleword) length data types • Some instructions need operand aligned on 32 bit boundary • Can be big- or little-endian • Fixed point processor recognises: • Unsigned byte, unsigned halfword, signed halfword, unsigned word, signed word, unsigned doubleword, byte string (<128 bytes) • Floating point • IEEE 754 • Single or double precision

22. Types of Operation (ชนิดของ Opcode) • Data Transfer การเคลื่อนย้ายข้อมูล • Arithmetic การคำนวณทางคณิตศาสตร์ • Logical การคำนวณตรรกะ • Conversion การเปลี่ยนรูปข้อมูล • I/O คำสั่ง I/O • System Control การควบคุมระบบ • Transfer of Control การถ่ายโอนการควบคุมการประมวลผล

23. Data Transfer ในการเคลื่อนย้ายจะต้องกำหนดการทำงานซึ่งมีองค์ประกอบดังนี้ • Specify • Source บอกตำแหน่งของข้อมูล • Destination บอกตำแหน่งสำหรับบันทึกผลลัพธ์ • Amount of data กำหนดความยาวของข้อมูลที่เคลื่อนย้าย • May be different instructions for different movements จะใช้ชุดคำสั่งที่แตกต่างกันในการเคลื่อนย้ายข้อมูลแต่ละแบบ เช่น Reg – Reg หรือ Mem - Mem • e.g. IBM 370 • Or one instruction and different addresses • e.g. VAX คือ VaX จะใช้คำสั่ง Mov คำสั่งเดียวในการเคลื่อนย้ายข้อมูลหลายขนาด จึงง่ายในการพัฒนาโปรแกรม

24. Arithmetic(การคำนวณทางคณิตศาสตร์)Arithmetic(การคำนวณทางคณิตศาสตร์) • Computer ส่วนใหญ่จะจัดใหมีคำสั่งสำหรับการคำนวณพื้นฐานได้แก่ - Add, Subtract, Multiply, Divide • Signed Integer • Floating point ? • May include • Increment (a++) • Decrement (a--) • Negate (-a)

25. Logical (การคำนวณทางตรรกะ) • คำสั่งสำหรับการจัดการข้อมูลแต่ละบิต • Bitwise operations • AND, OR, NOT • นอกเหนือจากการทำงานกับบิตแล้วยังจัดเตรียมฟังก์ชั่นในการ shift และ Rotate ดังนี้

26. Shift and Rotate Operations

27. Conversion (การเปลี่ยนรูปข้อมูล) • หมายถึงคำสั่งที่เปลี่ยนรูปแบบ หรือคำสั่งทำงานกับรูปแบบของข้อมูลเช่น • E.g. Binary to Decimal (คำสั่งการเปลี่ยนเลขฐานสองเป็นฐานสิบ)

28. Input/Output (คำสั่งที่ติดต่อกับอุปกรณ์ Input/Output) • May be specific instructions • May be done using data movement instructions (memory mapped) • May be done by a separate controller (DMA)

29. Systems Control(คำสั่งสำหรับการควบคุมระบบ) • หมายถึงคำสั่งที่สามารถควบคุมระบบการทำงานของ CPU ได้ โดยทั่วไปจะถูกสวงนไว้ในระบบปฏิบัติการ • Privileged instructions เป็นชุดคำสั่งพิเศษ

30. Transfer of Control (คำสั่งการถ่ายโอนการควบคุมการประมวลผล) • หมายถึงคำสั่งที่ควบคุมการทำงานลำดับของการประมวลผลนั่นเอง(เปลี่ยนลำดับการประมวลผล) เช่น • Branch เงื่อนไขกระโดดเมื่อเป็นไปตามเงื่อนไข • e.g. branch to x if result is zero • Skip จะข้ามคำสั่งในลำดับถัดไป • e.g. increment and skip if zero • ISZ Register1 • Branch xxxx • ADD A • Subroutine call การเรียกใช้ฟังก์ชั่น • c.f. interrupt call

31. Branch Instruction

32. Nested Procedure Calls

33. Use of Stack

34. สรุปตัวอย่างชนิดของ Opcode

35. สรุปตัวอย่างชนิดของ Opcode

36. สรุปตัวอย่างชนิดของ Opcode

37. สรุปตัวอย่างชนิดของ Opcode

38. Byte Order ลำดับของ Byte • ข้อมูลใน byte ต่างๆ มีวิธีการจัดเรียงยังไง โดยทั่วไปวิธีการจัดเรียงจะมีดังนี้คือ • Little Endian • Big Endian • ตัวอย่างมีข้อมูลขนาด 32 Bit (Hex) คือ 12345678ซึ่งถูกเก็บในหน่วยความจำที่ตำแหน่ง 184 ในเครื่องคอมพิวเตอร์ ลักษณะการเก็บข้อมูลสามารถเก็บได้สองวิธีคือ

39. Byte Order (example) • Address Value (1) Value(2) • 184 12 78 • 185 34 56 • 186 56 34 • 186 78 12 Big Endian Little Endian

40. Standard…What Standard? • Pentium (80x86), VAX are little-endian • IBM 370, Moterola 680x0 (Mac), and most RISC are big-endian • Internet is big-endian • Makes writing Internet programs on PC more awkward! • WinSock provides htoi and itoh (Host to Internet & Internet to Host) functions to convert